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隨著后PC時代的到來，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍日益擴大，人們對嵌入式系統(tǒng)需求的日益增加，與此同時用戶對嵌入式系統(tǒng)的功能、可靠性、體積、功耗等方面也有了更高的標準，正因如此，現(xiàn)如今的嵌入式系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。那么如何高效率的開發(fā)一個嵌入式系統(tǒng)，是一個當前急需解決的課題。UML是一種定義良好、易于表達、功能強大且普遍適用的建模語言[1]。它即融入了軟件工程領(lǐng)域的思想同時又能很好的建立硬件系統(tǒng)模式，所以如今借助UML來建立軟件與硬件的整合設(shè)計的公司越來越來多。

1、UML建模應(yīng)用概述

UML(Unified Modeling Language)統(tǒng)一建模語言是用來設(shè)計整個軟件系統(tǒng)藍圖的可視化建模語言，支持基于OO系統(tǒng)的分析、設(shè)計、實現(xiàn)和交付等各個環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)的理解、設(shè)計、瀏覽、維護和信息控制等方面都有著不小幫助。

在應(yīng)用方面，采用OO技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)時，采用用例圖來刻畫用戶的需求；使用類圖、對象圖、包圖、構(gòu)件圖和部署圖此5種靜態(tài)圖來描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)；使用順序圖、合作圖、活動圖和狀態(tài)圖這4種圖來顯化系統(tǒng)的動態(tài)行為。即在系統(tǒng)開發(fā)的各個階段UML都能發(fā)揮作用：

1.1、需求：用例圖來刻畫客戶的需求，通過用例建模，發(fā)掘是誰與系統(tǒng)打交道、系統(tǒng)的主要功能、系統(tǒng)與外部的交互是是如何進行的。通過商業(yè)過程和用戶需要構(gòu)建的系統(tǒng)進行分析，可以準確把握住用戶的需求，保證最終完成的系統(tǒng)完全符合用戶的需要。

1.2、分析：此階段主要是對用戶給出的需求進行進一步的分析，明確問題的細節(jié)。UML中的類圖能很好描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，而順序圖、合作圖、狀態(tài)圖則能用于描述系統(tǒng)的動態(tài)行為。

1.3、設(shè)計：根據(jù)分析提出具體的解決方案。將UML中的類圖、包圖把分析類和分析包轉(zhuǎn)化成設(shè)計類和設(shè)計包。

1.4、實現(xiàn)：根據(jù)UML中詳細設(shè)計的類圖進行實際的編碼。

1.5、集成：應(yīng)用UML的構(gòu)件圖、包圖、部署圖來對系統(tǒng)進行集成和部署。

1.6、測試：根據(jù)類圖來實現(xiàn)單元測試，根據(jù)類和包進行集成測試。最后對整個系統(tǒng)進行系統(tǒng)測試。

2、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的特點及建模分析

嵌入式系統(tǒng)作為一種專用的計算機系統(tǒng)，相較于桌面操作系統(tǒng)和服務(wù)器操作系統(tǒng)（即通用操作系統(tǒng)）下的軟件系統(tǒng)開發(fā)有著很大的不同，為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)不是僅限于應(yīng)用程序，它的開發(fā)常常需深入到操作系統(tǒng)，甚至深入到硬件。按照一般工程開發(fā)過程，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)大體分為4個過程：

2.1、分析過程：類似于軟件工程中的需求階段，與客戶交流，明確需要解決的問題。在客戶給出的各種約束條件，理性的分析項目是否具有可行性。

2.2、設(shè)計過程：開發(fā)的關(guān)鍵階段。此過程關(guān)注的是如何在給出的各種約束條件下給出恰當?shù)捻椖拷鉀Q方案，涉及到生成具體的抽象類及軟硬件平臺的選擇，這個階段好壞直接影響實現(xiàn)階段任務(wù)的完成也在很大程度上決定著開發(fā)成本的大小。

2.3、實現(xiàn)過程：此過程就是在已選定的平臺基礎(chǔ)上進行軟、硬件協(xié)調(diào)從而實現(xiàn)所指定的系統(tǒng)。這個階段主要涉及到具體代碼的編程、使用交叉編譯器、宿主機與目標板的連接以及目標板中程序的調(diào)試等具體工作。

2.4、測試維護過程：開發(fā)的最終過程。首先檢查各個程序模塊是否正確地實現(xiàn)了規(guī)定的功能，再整合各個模塊結(jié)合需求進行整個系統(tǒng)的測試，最后在將經(jīng)過確認的系統(tǒng)納入實際運行環(huán)境中進行最終測試。

由以上針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的分析可知，在分析階段需要有一套體系能夠把客戶的需求形象化的表述出來；在設(shè)計階段針對五花八門的軟、硬件整合方案也需要一套體系來選擇與實際需求相適應(yīng)的軟、硬件平臺；在實現(xiàn)階段，就更需要一套體系來促進開發(fā)團隊中各開發(fā)人員之間的溝通，以及把具體工程模塊化、標準化，從而提高開發(fā)效率；最后在測試階段中需要一套體系能夠提供之前開發(fā)過程中的各項模塊框圖及說明文檔，便于縮短測試周期[2]。UML就是這樣可應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)各個過程體系的建模語言。

3、嵌入式系統(tǒng)的建模分析

基于消費者對嵌入式系統(tǒng)的諸多方面嚴格的要求，現(xiàn)如今的嵌入式系統(tǒng)也一直再往尺寸大幅減小、性能更快、更可靠、更低功耗的方向快速發(fā)展。市場的需求千變?nèi)f化而對于嵌入式技術(shù)來說，其系統(tǒng)架構(gòu)的多樣性，軟、硬件組合的多變性，技術(shù)密集等諸多技術(shù)難點恰巧也成為了其適應(yīng)市場的優(yōu)勢。而嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的標準化、平臺化已成為了諸多廠商開發(fā)的一大難題。但挑戰(zhàn)與機遇是并存的，若是誰能率先提供標準化的嵌入式開發(fā)過程，使嵌入式系統(tǒng)開發(fā)更加簡單，那就等于獲得了市場的先機。

眾所周知，嵌入式系統(tǒng)的復(fù)雜度日益增加，靠個人的能力是難以完成整個系統(tǒng)的開發(fā)的。團隊開發(fā)才更有效率，而團隊開發(fā)的基礎(chǔ)就是設(shè)立統(tǒng)一的體系讓成員之間的合作、軟件模塊和軟硬件之間的協(xié)同開發(fā)，以及具體化客戶需求的過程都更加規(guī)范。當前主流的UML正是這樣一種標準化的建模語言，它所提供的各種模型圖能很好的闡述系統(tǒng)的內(nèi)容及工作方法，先建模而后編碼，在開發(fā)的起始階段就讓團隊每個成員對系統(tǒng)有整體的認識，也就保證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性[3]。通過UML中的不同框圖，各開發(fā)小組能夠從多個角度來了解整個系統(tǒng)。其次，借助UML用統(tǒng)一的形式來描述整合軟件和硬件，支持循環(huán)迭代并能夠多次修改軟硬件方案直至符合客戶的要求，即可實現(xiàn)軟硬件的協(xié)同設(shè)計。以UML模型來驅(qū)動實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和開發(fā)難度，從而提高開發(fā)效率使開發(fā)過程具有可擴充性、可重用性。使用UML進行系統(tǒng)建模在得到各種模型框圖的同時還能生成大量豐富的說明文檔，非常利于系統(tǒng)后期的測試和維護[4-5]。所以我們可以嘗試結(jié)合UML語言而提出一套針對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)方法，以求為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的標準化提供一條新的途徑。

4、基于UML的數(shù)碼相框系統(tǒng)建模實例

數(shù)碼相框是一種特殊的“相框”，相較于放入圖片的方式來展示相片的傳統(tǒng)相框，數(shù)碼相框通常會提供與外部存儲設(shè)備的接口，從而通過連接的方式獲得圖片數(shù)據(jù)，最后使用一個顯示屏來顯示系統(tǒng)已獲得的圖片數(shù)據(jù)。數(shù)碼相框具有設(shè)置顯示方式、特效等諸多功能，使得其使用起來非常靈活。按照本文上述，以下將借助UML建模工具Rational Rose 2003來為數(shù)碼相框系統(tǒng)建模。

4.1 分析過程（需求階段）

經(jīng)過分析可知系統(tǒng)所要具備的功能有：1.開機后出現(xiàn)歡迎界面并提示用戶插入存儲設(shè)備2.當用戶插入設(shè)備后自動開始播放位于設(shè)備中的所有圖片3.每張相片的特效顯示4.用戶通過按鍵可以控制所有相片播放的暫停及繼續(xù)用戶拔出存儲設(shè)備時出現(xiàn)提示信息并自動回到開機后的歡迎界面。

系統(tǒng)的參與者只有用戶一個角色，通過以上分析可以識別出3個主要用例：設(shè)備啟動，相片控制，存儲設(shè)備控制。通過逐步分解得到以下系統(tǒng)用例圖：

圖1 數(shù)碼相框系統(tǒng)用例圖

4.2 設(shè)計過程

以需求階段得出的結(jié)果為基礎(chǔ)，通過用例圖大致可得出系統(tǒng)需要的類、對象及其相互關(guān)系，再加上對硬件信息的整合，我們可以得到本系統(tǒng)的類圖，如圖二：

圖2 數(shù)碼相框系統(tǒng)類圖

類圖很好的描述了系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)以及邏輯層次，但為了更好的理解系統(tǒng)的動態(tài)行為，順序圖，狀態(tài)圖，活動圖等都是十分必要的。對于嵌入式系統(tǒng)來說，狀態(tài)圖和時序圖的設(shè)計尤為重要。以下就是相片控制類的之間狀態(tài)轉(zhuǎn)化的描述。

圖3 系統(tǒng)顯示相片狀態(tài)圖

為了符合客戶對系統(tǒng)實時性的要求，就必須建立起能夠清晰描述對象間消息傳遞的時間順序的順序圖。以下就是在用戶插入存儲設(shè)備到相片播放整個系統(tǒng)的順序圖：

圖4 系統(tǒng)顯示相片過程順序圖

4.3 實現(xiàn)過程

4.3.1 物理建模

結(jié)合用戶的需求，問了能在限定條件下更好的完整系統(tǒng)功能，本項目硬件采用ARM7開發(fā)板，使用Ubuntu（宿主機）與嵌入式Linux（目標機）的軟件設(shè)計平臺。以下是系統(tǒng)部署圖：

圖5 數(shù)碼相框系統(tǒng)部署圖

4.3.2 編碼過程

Rational Rose可根據(jù)先前生成的各種模型框圖自動生成C++代碼，而基于嵌入式系統(tǒng)的頻繁操作硬件的特點使用C編碼的效率將會更高。那么要將軟件生成的C++代碼稍作修改，由于所有對象都是靜態(tài)的，所以必須將每個對象的方法都修改成一個獨立的函數(shù)。

如：void DeviceControl::InsertDevice(){} 修改為void DeviceControl_InsertDevice(){}

再將DeviceControl_InsertDevice()函數(shù)放入Device_Control.c文件中去即可。當然，變量的定義也要放入源文件中去，而后就是具體的編寫各功能函數(shù)及調(diào)用過程了[6-7]。

4.4 測試過程

用戶對數(shù)碼相框的可靠性、實時性、穩(wěn)定性都有著較高的要求。那么按照一般嵌入式系統(tǒng)的測試過程，本系統(tǒng)也將按照4階段進行，即:模塊測試、集成測試、系統(tǒng)測試、軟/硬件集成測試[8]。測試方式也跟軟件測試相同即：白盒測試，黑盒測試。通過以上UML建模過程中的大量說明文檔，在宿主機上進行前三階段的白盒測試，目標機則結(jié)合具體的目標環(huán)境進行第四階段的黑盒測試。

5、結(jié)束語

UML在軟件工程中已有了非常寬廣的應(yīng)用，可由于嵌入式系統(tǒng)編碼的非面向?qū)ο笮允沟肬ML在嵌入式領(lǐng)域的應(yīng)用很少。但諸如：抽象、功能模塊化、增量開發(fā)等思想在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中也應(yīng)是同樣適用的。但嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、開發(fā)周期長,導(dǎo)致其具體的建模細節(jié)也是一個不斷修改完善的過程[9-10]。通過在實際項目開發(fā)中應(yīng)用UML，我們得到了不錯的效果。這表明在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中引入UML，采用先建模后編碼的開發(fā)方式是很實用的，它既可以優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)、又能縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，成功實現(xiàn)了快速開發(fā)又不降低系統(tǒng)效率的目標。

［1］徐寶文等.UML與軟件建模.北京:清華大學出版社，2006.

［2］何宗奎,康積濤.基于UML的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用.2009(10)

［3］唐慶,謝康林.基于UML的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[J].微型電腦應(yīng)用.2007(08)

［4］王道乾,張楊.基于UML的嵌入式系統(tǒng)模型設(shè)計[J].計算機科學.2006(11)

［5］賈麗娜.基于UML的嵌入式軟件開發(fā)[J].科技信息(學術(shù)研究).2007(27)

［6］王翠娥.淺析嵌入式C程序設(shè)計的優(yōu)化[J].信息與電腦(理論版).2009(12)

［7］王小平,宣樂飛,張蔚.基于UML的嵌入式實時控制系統(tǒng)的建模與實現(xiàn)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展.2006(07)

［8］段盛,李仁發(fā),謝桂芳.基于UML的嵌入式系統(tǒng)建模及模型驗證機制研究[J].計算機工程與科學.2007(08)

［9］周末.基于UML的嵌入式軟件開發(fā)[J].世界電子元器件.2006(11)

［10］張承杰,蔣興浩.基于UML的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計分析[J].信息安全與通信保密.2007(03)